Стереооптические методы регистрации процессов на морской поверхности

Рассмотрены методы оптических измерений физических параметров процессов на морской поверхности, в том числе покрытой льдом, с применением стереокамер. Предложен оригинальный метод обработки изображений морского льда, позволяющий выделить особенности, влияющие на рассеивание радиолокационного сигнала, такие как участки с открытой водой и острые кромки льдин. В основе метода лежит определение областей интереса на оптическом изображении, расчет статистических характеристик для каждой области, их классификация и определение локальных порогов для выделения искомых структур. Использование стереокамер в свою очередь позволяет учесть перспективные искажения и рассчитать физические параметры ледяного покрова и ветрового волнения. Метод апробирован на данных, полученных в ходе 90-го рейса научно-исследовательского судна «Академик Мстислав Келдыш» в море Лаптевых. Для открытой воды приведены результаты измерения скорости ветровой ряби, полученные с помощью разработанного ранее стереооптического метода. Проводится их сопоставление с Доплеровским сдвигом скорости СВЧ радиоволн. Предложенные в работе методы представляют интерес при проведении натурных экспериментов одновременно с применением когерентных радиолокаторов для количественной интерпретации радиолокационных данных, а также для развития методов дистанционного мониторинга морской поверхности и ледовой обстановки.

1. Zakhvatkina N., Smirnov V., Bychkova I. Satellite SAR data-based sea ice classification: An overview // Geosciences. 2019. Vol. 9, N 4. P. 152. doi:10.3390/geosciences9040152

2. Rohith M.V., Jones J., Eicken H., Kambhamettu C. Extracting quantitative information on coastal ice dynamics and ice hazard events from marine radar digital imagery // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. May 2013. Vol. 51, N 5. P. 2556–2570. doi:10.1109/TGRS.2012.2217972

3. Otsu N. A threshold selection method from gray-level histograms // IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernet ics. 1979. Vol. 9. P. 62–66. doi:10.1109/TSMC.1979.4310076

4. Banner M.L., Jones I.S.F., Trinder J.C. Wavenumber spectra of short gravity waves // Journal of Fluid Mechanics. 1989. Vol. 198. P. 321–344. doi:10.1017/S0022112089000157

5. Shemdin O., Tran H. Measuring short surface waves with stereography // Photogrammetric Engineering and Remote Sensing. 1992. Vol. 58. P. 311–316.

6. Benetazzo A. Measurements of short water waves using stereo matched image sequences // Coastal Engineering. 2006. Vol. 53, N 12. P. 1013–1032. doi:10.1016/j.coastaleng.2006.06.012

7. Богатов Н.А., Мольков А.А. Восстановление характеристик ветровых волн в Атлантике по данным судовой стерео съемки // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2021. Т. 14, № 4. С. 90–97. doi:10.7868/S2073667321040080

8. Turney D.E., Anderer A., Banerjee S. A method for three-dimensional interfacial particle image velocimetry (3D-IPIV) of an air–water interface // Measurement Science and Technology. 2009. Vol. 20, N 4. doi:10.1088/0957–0233/20/4/045403

9. Simoncelli S., Kirillin G., Tolomeev A.P., Grossart H.-P. A low-cost underwater particle tracking velocimetry system for measuring in situ particle flux and sedimentation rate in low- turbulence environments // Limnology and Oceanography: Methods. 2019. Vol. 17, Iss. 12. P. 665–681. doi:10.1002/lom3.10341

10. Богатов Н.А., Капустин И.А., Мольков А.А., Ермошкин А.В. Измерение скорости ветровой ряби на профиле длинной волны с применением метода стереосъёмки // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20, № 2. С. 216–225. doi:10.21046/2070-7401-2023-20-2-216-225

11. Canny J. A computational approach to edge detection // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelli gence. Nov. 1986. Vol. PAMI-8, N 6. P. 679–698. doi:10.1109/TPAMI.1986.4767851

12. Raffel M., Willert C.E., Scarano F., Kähler C.J., Wereley S.T., Kompenhans J. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. Springer, 2018. 695 p.

13. Kaehler A., Bradski G. Learning OpenCV 3: Computer Vision in C++ with the OpenCV // O’Reilly Media, Inc. 2016. 1024 p.

14. Chapron B., Collard F., Ardhuin F. Direct measurements of ocean surface velocity from space: Interpretation and valida tion // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2005. 110. C07008. doi:10.1029/2004JC002809

15. Ермошкин А.В., Капустин И.А., Мольков А.А., Богатов Н.А. Определение скорости течения на морской поверхности доплеровским радиолокатором X-диапазона // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020. Т. 13, № 3. С. 93–103. doi:10.7868/S2073667320030089